第8章压电式传感器及应用

压电式压力传感器原理特点及应用压电效应是压电材料受到外力时会产生电荷的现象。

压电材料具有这种特性的原因是在材料内部存在着一种称为压电效应的耦合效应，即机械能与电能之间的相互转换。

当外力作用在压电材料上时，会导致材料内部的正负离子产生位移，形成电偶极矩，从而产生电荷。

该电荷可以通过导线或电极传递到外部电路中，产生电压信号。

根据压电效应的特性，压电材料通常是通过连接传感器的终端来感受外部力或压力的变化。

1.高灵敏度：压电材料的压电系数比较大，对外界力或压力的变化非常敏感，能够很好地转换为电信号输出。

2.宽测量范围：压电式压力传感器的测量范围通常为几千帕到几百兆帕，能够满足不同应用场景的需求。

3.稳定性好：压电材料的压电效应相对稳定，且传感器无需额外的温度、湿度校正，不易受外界条件的干扰。

4.快速响应：由于压电材料具有较低的惯性和刚性，能够在短时间内响应外部力或压力变化。

1.工业自动化控制：压电式压力传感器可以用于工业自动化控制系统中，用于监测压力值，如液体或气体管道的压力、机械设备的载荷等。

2.汽车工程：压电式压力传感器广泛应用于汽车工程领域，如发动机进气管压力、轮胎压力、刹车系统压力等的检测。

3.生物医学领域：压电式压力传感器可用于测量人体血压、血氧饱和度、心脏健康状态等，用于临床监测和医疗设备。

4.航天航空领域：压电式压力传感器应用于航天器的气压监测、飞机的液压系统监测等，对于保证飞行安全起到重要作用。

5.环境监测：压电式压力传感器用于测量大气压力、水深、土壤压力等环境参数的监测，可用于气象、水利、地质等领域。

总之，压电式压力传感器以其高灵敏度、快速响应、稳定性好等特点，在多个领域中得到广泛的应用，为实时监测和控制提供了重要的技术支持。

压电式传感器的原理及应用压电式传感器是一种应用了压电效应的传感器，通过将压电材料置于受力区域，当被测物体发生变形或受力时，压电材料发生形变，从而产生电荷信号，利用该信号来测量被测量的变化情况。

一、压电效应的原理压电效应是一种物理现象，指在压力或拉伸下，某些晶体（通常是晶体的极性方向）会产生电位差。

这种效应被广泛应用于各种传感器中，特别是在加速度计、其它惯性传感器、压力传感器和液位传感器等方面。

二、压电式传感器的原理压电式传感器通常由压电晶体和测量电路组成。

当被测物体发生形变或受力时，压电材料中的极性方向的晶体产生压电效应，导致产生电荷的位移，并与电荷电容匹配的放大器或其他电路连接。

由于被测量的变化（压力，成形，位移等）与电荷位移之间存在特定关系，所以可以根据电荷电荷读数来确定被测物体发生变化的精确程度。

三、压电式传感器的应用由于压电效应具有高灵敏度、高频响应、耐腐蚀、抗干扰等优点，压电式传感器在各种领域得到广泛应用。

1.压力测量：压电式传感器常用于压力传感器的制造，用于测量汽车轮胎、气缸、油压和空气压力等。

2.振动测量：压电式传感器还可以用于测量机器和车辆的振动水平，以便定位有问题的部件。

3.流量测量：压电式传感器在流量测量中应用广泛，例如在医疗方面测量血流，工业方面可以应用于计算液体的流量。

4.力学测试：压电式传感器的高灵敏度和高频响应特性，在体育、自然科学和工程学中用于测量冲击、震动和变形等量。

5.地震观测：压电式传感器还可以用于地震观测，以便在监测过程中测量地震的振动率。

压电式传感器在上述应用领域中具有重要作用，并与其他类型的传感器如压阻式传感器、光电式传感器、磁性传感器等合作，实现了各种领域的数据测量工作，体现了良好的应用前景。

压电式压力传感器原理及应用自动化研1302班王民军压电式压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。

而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也叫压电式压电传感器。

压电式压力传感器可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。

也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。

它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

一、压电式传感器的工作原理1、压电效应某些离子型晶体电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。

当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。

压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。

2、压电式压力传感器的特点压电式压力传感器是基于压电效应的传感器。

是一种自发电式和机电转换式传感器。

它的敏感元件由压电材料制成。

压电材料受力后表面产生电荷。

此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。

压电式压力传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等(见压电式压力传感器、加速度计)。

压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。

由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：Q=k*S*p。

式中 Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。

通过测量电荷量可知被测压力大小。

压电式压力传感器的工作原理与压电式加速度传感器和力传感器基本相同，不同的是弹性元件是由膜片等把压力转换成集中力，再传给压电元件。

为了保证静态特性及稳定性，通常多采用压电晶片并联。

在压电式压力传感器中常用的压电材料有石英晶体和压电陶瓷，其中石英晶体应用得最为广泛。

二、压电压力传感器等效电路和测量电路在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。

压电式传感器的应用和原理应用领域压电式传感器是一种广泛应用于各个领域的传感器，主要包括以下几个方面的应用：1.工业自动化：在工业自动化领域中，压电式传感器常被用于测量力、压力、力矩等参数，可以实时监测设备的工作状态，保证生产过程的稳定性和安全性。

2.汽车工业：在汽车工业中，压电式传感器被广泛应用于发动机控制、刹车系统、悬挂系统等方面，可以实时监测汽车的各项参数，提高行驶安全性和驾驶舒适性。

3.医疗设备：在医疗设备中，压电式传感器可以用于测量心率、呼吸、体温等生命体征参数，用于疾病诊断、治疗和康复监测，为医疗工作者提供精准的数据支持。

4.空气质量监测：压电式传感器可以用于监测空气质量，检测并记录大气中的各种有害气体，为改善环境质量提供客观数据。

5.智能穿戴设备：压电式传感器适用于智能手环、智能手表等穿戴式设备中，可以实时监测心率、睡眠质量、运动步数等健康指标，为用户提供全面的健康数据。

工作原理压电式传感器的工作原理基于压电效应，压电效应是指某些特定的材料在受到机械应力作用时，会产生正比于应力大小的电荷。

压电式传感器通常由一个或多个压电晶体组成，压电晶体一般为陶瓷材料，具有压电效应。

当外部施加压力或力矩时，压电晶体发生微小的尺寸变化，导致晶格结构的变化，从而产生极性的电荷。

这种电荷的变化可以通过电路进行测量和记录。

压电式传感器通常由以下几个主要组件构成：1.压电晶体：负责将机械应力转换为电荷信号，并根据机械应力的大小和方向产生相应的电荷。

2.支撑结构：提供对压电晶体的支持和保护，使其能够承受外部应力并稳定工作。

3.信号调理电路：负责将压电传感器输出的微弱信号放大和处理，以便能够进行准确的测量和记录。

压电式传感器的工作原理可以用以下步骤总结：1.压电晶体受到外部力或压力作用，发生微小的尺寸变化。

2.压电晶体的晶格结构发生相应的变化，产生极性的电荷。

3.电荷被信号调理电路检测和放大。

4.信号被记录或用于控制其他设备。

压电式加速度传感器及其应用一、压电式加速度传感器原理压电式加速度传感器又称压电加速度计。

它也属于惯性式传感器。

它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。

当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。

加速度传感器是一种惯性传感器,它能感受加速度并转换成可用输出信号，被广泛用于航空航天、武器系统、汽车、消费电子等。

实际电路图如下：二、压电式加速度传感器构成元件预压弹簧压电元件外壳质量块基座常用的压电式加速度计的结构形式如图所示，是由预压弹簧，质量块，基座，压电元件和外壳组成。

图中为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。

由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。

三、压电式加速度传感器的实际应用加速度传感器应用范围广泛，一般来讲它有六种检测感应功能：倾斜度检测、运动检测、定位检测、震动检测、振动检测和自由落下检测。

(一)倾斜度检测加速度传感器水平放置时，在重力作用下经激励有一定幅度的输出，当与重力方向有倾角时，传感器信号输出幅度会有所变化，对两种状态下信号输出进行比较计算可推算出倾斜角的大小，应用双轴、三轴加速度传感器就可测出任意倾斜角的大小和方向。

利用加速度传感器测量倾斜度的这种检测感应功能，加速度传感器可应用于倾斜仪、倾斜度侦测电子罗盘、图像旋转、文本滚动浏览／用户界面、LCD投影和物理治疗法等方面。

飞思卡尔半导体公司推出的MMA7260Q三轴加速度传感器是用于倾角测量的典型应用之一，它以重力为输入矢量来决定物体在空间的姿态。

把加速度传感器固定于物体的水平面上，当物体姿态改变时，加速度传感器的敏感轴随之转动一定角度，由于重力的作用，传感器敏感轴上的加速度会发生改变，因此可通过测量加速度的变化来反映物体姿态的变化。

(二) 运动检测在进行运动检测时，需要考虑几个因素：如何计算它的位移，g 值的范围选择及使用量测轴。

压电式传感器在日常生活中的应用【摘要】本文介绍了压电式传感器工作原理，以及压电式传感器在日常生活中的典型应用。

【关键词】压电式传感器；打火机；汽车；燃气灶1引言压电式传感器拥有结构简单、体积小、重量轻、使用时间长等优异的特点。

它在工业、农业、医疗、军事、航空领域广泛应用，在宇航领域中也有特别多的使用。

它在人们的日常生活中也被广泛的应用，例如打火机、汽车、燃气灶等。

2压电式传感器工作原理压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础。

对这些物质沿其某一方向施加压力或拉力时会产生变形，由于内部电荷的极化现象，此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。

将外力去掉后，它又重新回到不带电状态，这种现象被称为压电效应。

把这种机械能转变为电能的现象称为“正压电效应”。

反之，在某些物质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，该物质的变形随之消失，把这种电能转变为机械能的现象，称为“逆压电效应”。

它能实现机-电能量的相互转换。

3 压电式传感器日常生活中应用3.1 压电式打火机压电式打火机中有一种压电陶瓷——它是人造多晶体，它的压电机理与石英晶体并不相同。

压电陶瓷材料内的晶粒有许多自发极化的电畴（具有自发极化的晶体中存在一些自发极化取向一致的微小区域称电畴）。

在极化处理以前，各晶粒内电畴任意方向排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷内极化强度为零。

通过在陶瓷上施加外电场极化，电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致。

当极化后，各电畴的自发极化在一定程度上还是取向原外加电场方向，陶瓷极化强度也并不恢复到零。

压电陶瓷一旦被压缩，其厚度变化，则两边束缚电荷距离发生变化，其极化电荷减少，与表面的正负离子中和程度降低，使降落在陶瓷表面的正负电荷增多。

这些电荷可通过尖端放电产生电火花，所以只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气，可以长久使用。

压电打火机于老式由火石和砂轮组成的打火机相比，不仅使用方便，安全可靠，使用长，例如一种钛铅酸铅压电陶瓷制成的打火机可使用100万次以上。